180 kA預焙鋁電解槽氧化鋁下料點均勻分布技術改造實踐

祝可武

(中國鋁業青海分公司，青海 西寧 810108)

在鋁電解生產過程中,點式下料系統可以通過計算機控制下料間隔,從而調整單位時間單槽下料量,形成“按需下料”技術,以此滿足現代鋁電解工藝對氧化鋁濃度的控制要求。點式下料器安裝個數、每次定容下料量和安裝位置對電解槽氧化鋁濃度的均勻分布均有影響。某企業現有180 kA預焙電解槽生產系列是在原160 kA預焙電解槽基礎上擴容而成,打殼下料方式采用中間通道四點交叉打殼、下料的方式。該系列電解槽采用24組陽極配置,下料點安裝位置呈非均勻分布狀態,生產過程氧化鋁濃度也存在一定的分布不均勻現象。本文針對鋁廠存在的這種現象進行了分析,并結合鋁廠實際情況進行改造,取得了良好的效果。

1 電解槽下料點分布現狀及對電解生產的影響

1.1 電解槽下料點分布現狀

該企業180 kA某系列電解槽下料點原設計是“六點中間下料”,后續改造時直接去掉原中間兩點,變為“四點中間打殼下料”,電解槽打殼下料點位置如圖1所示。

圖1 電解槽非均勻分布打殼下料點位置示意圖

由圖1可見,改造后四個打殼下料點呈非均勻分布狀態,通過現場測量,第1、2點之間距離為1.22 m,第3、4點之間距離是1.20 m,而第2點與第3點之間相距足有3.68 m。通過對電解槽不同點位氧化鋁濃度取樣分析,結果見表1。

從表1中分析數據可以看出,由于電解槽下料點分布不均勻,出鋁端、煙道端和下料點附近氧化鋁濃度高,離下料點較遠位置氧化鋁濃度偏低。在電解質體系中會產生氧化鋁濃度梯度,局部氧化鋁濃度過高或過低,對電解槽高效穩定生產可能有一定的影響。

表1 某180 kA系列鋁電解槽下料點改造前氧化鋁濃度統計表 %

1.2 打殼下料點分布不均對電解生產的影響

1.2.1 陽極氧化

下料點位于陽極小面中心位置,共有8塊陽極(A、B面各4塊陽極)受頻繁打殼開孔影響,導致陽極端頭(面)氧化現象難以消除。打殼下料點相關處的8塊陽極氧化,導致鋼爪侵蝕影響原鋁品位。同時陽極氧化掉渣會增加電解質電阻。陽極氧化掉渣使電解質中炭渣含量增加,炭渣每增加1%電解質電導率將下降11%[1]。同時過量炭渣影響氧化鋁溶解誘發陽極效應,大量炭渣集聚于陽極底掌形成炭渣餅還會導致陽極長包。如此種種,不僅增加工人勞動強度,影響精細操作管理水平,而且影響電解槽平穩生產,使電流效率降低、電耗升高。

1.2.2 中縫長時間不易結殼

由于第2、3下料點相距較遠,每換A5、A6、A7、A8(或B5、B6、B7、B8)陽極后,陽極中縫長時間不結殼,導致電解質揮發嚴重,局部沉淀增多。爐底沉淀增多最終導致爐底惡化,影響電解槽平穩運行,出現高噪聲、電壓擺、曲線亂的病槽癥狀的增加概率。

1.2.3 火眼開孔率低

下料點不均勻分布,造成氧化鋁的有效溶解度存在偏差,頻繁出現積料現象,火眼開孔率低,導致氧化鋁按照槽控系統的指令加入槽內電解質中,導致陽極效應頻發。同時下料導致的積料問題不利于陽極氣體順暢排出,氣體攪動鋁液增加了鋁的二次反應損失[2]。

積料還使得陽極組鋼梁被埋現象,使陽極組散熱不均導致陽極電流分布偏流,出現陽極消耗薄厚不均,很容易造成化爪,影響原鋁質量。在換極操作過程更容易使陽極拔脫或產生氧化鋁大塊,嚴重時會導致鋼爪體發紅脫極,增加操作工人的勞動強度,同時影響電解槽平穩運行。

1.2.4 氟化鋁消耗增加

因該系列180 kA電解槽在第二下料點位置投放氟化鋁,當第二點火眼不暢時,很容易導致氟化鋁下料堆積,不能進入到電解質熔液中溶解而造成嚴重浪費,既影響分子比有效控制,又因浪費損失使噸鋁氟化鋁單耗升高。

1.2.5 氧化鋁濃度不均勻

因下料點非均布分布,使槽內氧化鋁濃度分布也不均勻,造成了氧化鋁濃度差,電解槽局部出現了氧化鋁不足和氧化鋁過剩兩種狀態。當電解槽中氧化鋁不足時,會增加陽極效應系數,陽極效應產生熱量會影響電解槽的熱平衡和控制參數。

當電解槽局部氧化鋁過剩時,會導致電解質粘度上升,碳渣分離不好,槽電阻變大,局部產生沉淀,爐底壓降增加,會影響電解槽的技術參數的穩定性。上述兩種情況均會打破電解槽物料平衡,不能滿足電解工藝對氧化鋁濃度的控制要求[3]。

2 解決措施

針對一系列180 kA電解槽下料點分布不均,引起槽內電解質體系中氧化鋁濃度不均的問題,該廠組織技術人員探討生產槽內各部分氧化鋁濃度均勻分布的生產優化控制途徑。經多次召開專家研討會,對提出的各項方案反復論證對比后,最終確定對一系列180 kA鋁電解槽打殼下料點進行均布改造并設計改造圖,如圖2所示。

圖2 180 kA鋁電解槽打殼下料點均布分布優化技術方案圖

根據此方案繪制了氧化鋁濃度均布優化改造結構簡圖,如圖3。

圖3 180 kA鋁電解槽氧化鋁濃度均布優化改造結構簡圖

由圖3可見,打殼下料點均布優化改造后,第1、2點之間距離為1.76 m,第3、4點之間距離是1.75 m,第2點與第3點之間距離縮短為2.09 m,各打殼下料點之間距離基本相等,下料點位置處于電解質流場中較大尺寸的漩渦流線的邊緣,有利于氧化鋁隨電解質快速擴散與輸運到全槽區域[4]。電解槽不同點位氧化鋁濃度趨于均衡,分析數據呈均勻分布狀態,統計結果見表2。

表2 某180 kA系列鋁電解槽下料點改造后氧化鋁濃度統計表 %

2.1 實施情況及取得的效果

利用電解槽大修時機,對現有電解槽上部結構“打殼下料點”位置進行均勻分布優化改造,并對首臺183#電解槽改造效果進行了跟蹤驗證。183#槽步入正常生產期三個月后槽況平穩,運行效果良好,技術經濟指標明顯提高,隨后利用大修時機對該系列電解槽進行改造和推廣。

電解槽經過下料點均衡分布改造后,下料點處對應位置陽極端面氧化現象基本消除,陽極端面氧化過量掉渣現象得以控制。下料點正好位于“鋁液-電解質”循環的集流區域,有利于氧化鋁擴散溶解,既能提高火眼開孔,消除積料,也不易產生爐底沉淀,有利于中縫結殼,能夠及時添加保溫料,減少了產生爐底沉淀問題。電解槽下料更趨穩定均衡,下料量準確度明顯提高,對穩定電解生產、提高電流效率、降低能耗起到了重要作用。

2.2 均衡下料槽與對比槽技術經濟指標數據分析

最早改造下料點均勻分布的183#電解槽于2018年11月8日通電焙燒,11月12日啟動,隨后又對12#、148#等槽利用大修機會進行下料點均布改造并焙燒啟動,截止2020年5月份已改造16臺。

對下料點均布改造后,分析運行槽齡達到1年以上的6臺均衡下料槽2019年10月份～2020年5月份運行趨勢與相近槽齡段電解槽生產運行數據對比如表3。

表3 對比槽和均衡下料槽結果統計

從表3數據統計結果可以看出:均衡下料槽較對比槽平均槽齡短32天,設定電壓降低24 mV,工作電壓降低了25 mV,平均電壓降低了25 mV,電壓偏離沒有變化,全效應系數降低了0.651次/(槽·日),下料量增加了19 kg/日均。爐底壓降降低了34 mV,分子比較升高了0.004,高躁值降低了6.1 μΩ,鋁水平降低了0.8 cm,電解質水平升高了0.1 cm,槽溫升高了2 ℃。電流效率提高了0.3個百分點,直流電單耗下降了122 kWh/t-Al,氟化鋁單耗降低了0.85 kg/t-Al。從上述數據分析可以看出,與對比槽相比,均衡下料生產槽工況數據和主要技術經濟指標改善明顯,氟化鋁消耗量,陽極效應系數,下料量、電壓偏離、噪聲等得到了明顯改善。

3 結 語

綜上所述,本文針對180 kA鋁電解槽下料點分布不均導致的諸多問題和對生產的影響進行了闡述,結合生產管理實際,提出電解槽打殼下料點均布控制技術改造方案。通過采取打殼下料點均勻分布優化方案的實施,改造解決下料點非均勻分布對電解槽生產造成的影響,取得了良好效果,改善了電解質體系中氧化鋁濃度的均勻分布,達到穩定生產、降低消耗、降低成本目的。